电子设计竞赛论文范本文档

2017年全国大学生电子设计竞赛XXXXXXXXXXXXX（X题）[本科组]2017年9月7日

摘要本系统以飞思卡尔单片机MC9S12XS128作为主控制芯片，通过数字摄像头OV7620采集靶面图像，进行图像信息的处理，得到靶面上弹着点的位置信息，并在OLED上显示弹着点的环数、方位。同时为了方便摄像头的图像的校准，设计了激光三点定位装置。另外设计了以步进电机和直流减速电机驱动的二维激光头移动调节架，通过按键控制可实现激光点在靶面上的移动、自动中心打靶、定位打靶。关键词：激光打靶单片机数字摄像头步进电机AbstractThissystemadoptstheFreescaleMCU(MC9S12XS128)asthecoreprocessingchip,targetsurfaceimagearegainedbythedigitalcameraOV7620,thespotpositioninformationonthetargetisgotaftertheimageinformationprocessing,theringnumberandlocationaredisplayedontheOLED.Atthesametime,inordertofacilitatetheimageofthecalibrationofcameras,thelaserat3o'clockpositioningdeviceisdesigned.Inaddition,stepmotorandDCgearmotoraredesignedtodrive2Dpositioncontrolframe,itcanberealizedthroughthekeycontrolthatthelaserspotonthetargetmobile,automatictargetandhitthebull's-eye,automaticpositioning.Keywords:laser-shootingmicrocomputerdigitalcamerastepmotor电子设计大赛论文报告格式**设计报告容：1．封面：单独1页（见样件）2．摘要、关键词：中文（150～200字）、英文；单独1页3．目录：容必要对应页码号4．设计报告正文：一、前言：二、总体方案设计：包括方案比较、方案论证、方案选择（以方框图的形式给出各方案，并简要说明）/10

三、单元模块设计：①各单元模块功能介绍与电路设计；②电路参数的计算与元器件的选择；③特殊器件的介绍；④各单元模块的联接，以一个模块为一个框，画出框的联接图并简要说明。四、系统调试：说明调试方法与调试容，软件仿真放这里。五、系统功能、指标参数：①说明系统能实现的功能；②系统指标参数测试，说明测试方法，要求有测试参数记录表；③系统功能与指标参数分析（与设计要求对比进行）。六、设计总结：包括：①对设计的小结；②设计收获体会；③对设计的进一步完善提出意见或建议。10.竞赛作品上交与包装密封要求2011年9月3日晚20:00竞赛结束时，参赛队需要上交的材料包括：①《设计报告》；②制作实物；③《2011大学生电子设计竞赛登记表》，必须封入由各校自备的纸箱。密封后的纸箱部所有物品与纸箱外部不得出现任何校名、参赛队代号、参赛队员与其它暗记，否则视为无效。纸箱封条由赛区组委会自备，各参赛学校必须按照赛区组委会要求的时间、地点上交。11.《设计报告》写作与装订要求《设计报告》文字应控制在8000字以，第一页为300字以的设计中文摘要，正文采用小四号宋体字，标题字号自定，一律采用A4纸纵向打印。《设计报告》每页上方必须留出3cm空白，空白不得有任何文字，每页右下端注明页码。报告用纸由参赛学校自备。12.《设计报告》的密封方法竞赛结束时，参赛队应将设计报告密封纸在距设计报告上端约2厘米处装订，然后将参赛队的代码（代码由赛区组委会统一编制，在发放题目时通知各参赛队）写在设计报告密封纸的最上方。设计报告装订好后将密封纸掀起并折向报告背面，最后用胶水在后面粘牢。设计报告上不允许出现参赛队的学校、等文字。I/10

目录1系统方案01.1XXXX的论证与选择01.2XXXX的论证与选择01.3控制系统的论证与选择02系统理论分析与计算02.1XXXX的分析02.1.1XXX02.1.2XXX02.1.3XXX02.2XXXX的计算02.2.1XXX02.2.2XXX12.2.3XXX12.3XXXX的计算12.3.1XXX12.3.2XXX12.3.3XXX13电路与程序设计13.1电路的设计13.1.1系统总体框图13.1.2XXXX子系统框图与电路原理图13.1.3XXXX子系统框图与电路原理图13.1.4电源13.2程序的设计13.2.1程序功能描述与设计思路13.2.2程序流程图24测试方案与测试结果24.1测试方案24.2测试条件与仪器24.3测试结果与分析24.3.1测试结果(数据)24.3.2测试分析与结论3附录1：电路原理图4附录2：源程序5II/10

XXXXXXXX（X题）[本科组]1系统方案本系统主要由XXX模块、XXX模块、XXX模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1XXXX的论证与选择方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX方案三：XXX。XXXX综合以上三种方案，选择方案三。1.2XXXX的论证与选择方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX方案三：XXX。XXXX综合以上三种方案，选择方案三。1.3控制系统的论证与选择方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX综合考虑采用XXXXX。1.3控制系统的论证与选择方案一：XXX。XXXX方案二：XXX。XXXX综合考虑采用XXXXX。2系统理论分析与计算2.1XXXX的分析2.1.1XXXXXXX2.1.2XXXXXXX2.1.3XXXXXXX2.2XXXX的计算2.2.1XXXXXXX0/10

2.2.2XXXXXXX2.2.3XXXXXXX2.3XXXX的计算2.3.1XXXXXXX2.3.2XXXXXXX2.3.3XXXXXXX3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图X所示，XXXXXX图X系统总体框图3.1.2XXXX子系统框图与电路原理图1、XXXX子系统框图图XXXXX子系统框图2、XXXXX子系统电路图XXXXX子系统电路3.1.3XXXX子系统框图与电路原理图1、XXXX子系统框图图XXXXX子系统框图2、XXXXX子系统电路图XXXXX子系统电路3.1.4电源电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供5V或者12V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用三端稳压管实现，故不作详述。3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。1/10

1）键盘实现功能：设置频率值、频段、电压值以与设置输出信号类型。2）显示部分：显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。2、程序设计思路3.2.2程序流程图1、主程序流程图2、XXX子程序流程图3、XXX子程序流程图4、XXX子程序流程图4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试2、软件仿真测试3、硬件软件联调4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全一样，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。4.3测试结果与分析4.3.1测试结果(数据)2V档信号测试结果好下表所示：（单位/V）信号值0.20500.21000.20450.40261.0071.5421.6691.999显示0.20510.21000.20440.40261.0061.5421.6691.9992/10

4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX，由此可以得出以下结论：1、2、3、综上所述，本设计达到设计要求。3/10

附录1：电路原理图4/10

附录2：源程序5/10

音频信号分析仪（A题）摘要：本音频信号分析仪由32位MCU为主控制器，通过AD转换，对音频信号进行采样，把连续信号离散化，然后通过FFT快速傅氏变换运算，在时域和频域对音频信号各个频率分量以及功率等指标进行分析和处理，然后通过高分辨率的LCD对信号的频谱进行显示。该系统能够精确测量的音频信号频率围为20Hz-10KH，z其幅度围为5mVpp-5Vpp，分辨力分为20Hz和100Hz两档。测量功率精确度高达1%,并且能够准确的测量周期信号的周期，是理想的音频信号分析仪的解决方案。关键词：FFTMCU频谱功率

目录

1系统方案论证与比较1.1引言1.2采样方法比较与选择方案一、用DDS芯片配合FIFO对信号进行采集，通过DDS集成芯片产生一个频率稳定度和精度相当高的信号作为FIFO的时钟，然后由FIFO对A/D转换的结果进行采集和存储，最后送MCU处理。方案二、直接由32位MCU的定时中断进行信号的采集，然后对信号分析。由于32位MCU-LPC2148是60M的单指令周期处理器，所以其定时精确度为16.7ns,已经远远可以实现我们的40.96KHz的采样率，而且控制方便成本便宜，所以我们选择由MCU直接采样。1.3处理器的比较与选择由于快速傅立叶变换FFT算法设计大量的浮点运算，由于一个浮点占用四个字节，所以要占用大量的存，同时浮点运算时间很慢，所以采用普通的8位MCU一般难以在一定的时间完成运算，所以综合存的大小以及运算速度，我们采用Philips的32位的单片机LPC2148，它拥有32K的RAM，并且时钟频率高达60M，所以对于浮点运算不论是在速度上还是在存上都能够很快的处理。1.4周期性判别与测量方法比较与选择对于普通的音频信号，频率分量一般较多，它不具有周期性。测量周期可以在时域测量也可以在频域测量，但是由于频域测量周期性要求某些频率点具有由规律的零点或接近零点出现，所以对于较为复杂的，频率分量较多且功率分布较均匀且低信号就无确的分析其周期性。而在时域分析信号，我们可以先对信号进行处理，然后假定具有周期性，然后测出频率，把采样的信号进行周期均值法和定点分析法的分析后即可以判别其周期性。综上，我们选择信号在时域进行周期性分析和周期性测量。对于一般的音频信号，其时域变化是不规则的，所以没有周期性。而对于单频信号或者由多个具出有最小公倍数的频率组合的多频信号具有周期性。这样我们可以在频域对信号的频谱进行定量分析，从而得出其周期性。而我们通过先假设信号是周期的，然后算出频率值，然后在用此频率对信号进行采样，采取连续两个周期的信号，对其值进行逐次比较和平均比较，若相差太远，则认为不是周期信号，若相差不远（约1

5%），则可以认为是周期信号。1.5系统总体设计音频信号经过一个由运放和电阻组成的50Ohm阻抗匹配网络后，经由量程控制模块进行处理，若是一般的100mV-5V的电压，我们选择直通，也就是说信号没有衰减或者放大，但是若信号太小，12位的A/D转换器在2.5V参考电压的条件下的最小分辨力为1mV左右，所以如果选择直通的话其离散化处理的误差将会很大，所以若是采集到信号后发现其值太小，在20mV-250mV之间的话，我们可以将其认定为小信号，从而选择信号经过20倍增益的放大器后再进行A/D采样。经过12位A/D转换器ADS7819转换后的数字信号经由32位MCU进行FFT变换和处理，分析其频谱特性和各个频率点的功率值，后然将这些值送由Atmega16进行显示。信号由32位MCU分析后判断其周期性，后然由Atmegal6进行测量，然后进行显示。图1-1总体设计框架图2

2各单元电路设计2.1前级阻抗匹配和放大电路设计图2-1阻抗匹配和放大电路信号输入后通过R5,R6两个100Ohm的电阻和一个高精度仪表运放AD620实现跟随作用，由于理想运放的输入阻抗为无穷大，所以输入阻抗即为：R5//R6=50Ohm,阻抗匹配后的通过继电器控制是对信号直接送给AD转换还是放大20倍后再进行AD转换。在这道题目里，需要检测各频率分量及其功率，并且要测量正弦信号的失真度，这就要求在对小信号进行放大时，要尽可能少的引入信号的放大失真。正弦信号的理论计算失真度为零，对引入的信号失真非常灵敏，所以对信号的放大，运放的选择是个重点。我们选择的运放是TI公司的低噪声、低失真的仪表放大器INA217，其失真度在频率为1KHz，增益为20dB(100倍放大)时仅为0.004%，其部原理图如图2-2所示。图2-2INA217部内原理图3

其中放大器A1的输出电压计算公式为OUT1=1+（R1/RG）*VIN+同理，OUT2=1+（R2/RG）*VIN--R3、R4、R5、R6及A3构成减法器，最后得到输出公式VOUT=（VIN2-VIN1）*[1+（R1+R2）/RG]R1=R2=5K,取RG=526，从而放大倍数为20。2.2AD转换及控制模块电路设计图2-3AD转换及控制模块电路设计采用12位AD转换器ADS7819进行转换，将转换的数据送32位控制器进行处理。2.3功率谱测量功率谱测量主要通过对音频信号进行离散化处理，通过FFT运算，求出信号各个离散频率点的功率值，然后得到离散化的功率谱。由于题目要求频率分辨力为100Hz和20Hz两个档，这说明在进行FFT运算前必须通过调整采样频率(fK)和采样的点数(N),使其基波频率f为100Hz和20Hz。根据频率分辨率与采样频率和采样点数的关系：f=fk/N;可以得知，fk=N*f;又根据采样定理，采样频率fk必须不小于信号频率fm的2倍，即：fk>=2fm;题目要求的最大频率为10KHz，所以采样频率必须大于20KHz，考虑到FFT运算在2的次数的点数时的效率较高，所以我们在20Hz档时选择40.96KHz采样率，采集2048个点，而在100档时我们选择51.2KHz采样率，采集512个点。通过FFT分析出不同的频率点对应的功率后，可就以画出其功率谱，并可以在频域计算其总功率。4

3软件设计主控制芯片为LPC2148,测量周期为Atmega16实现,由于处理器速度较快,所以采用c语言编程方便简单.软件流程图如下：主流程图周期性分析和测量流程图图3-1程序流程图5

4系统测试4.1总功率测量（室温条件下）表4-1总功率测量结果（室温条件下）输频率幅度测量时域总功测量频域总理论值估算误差入信号率(w)功率(w)正100Hz1Vpp0.1270.1290.1290.1250.1251.2%弦波1KH1Vpp0.1261.3%音频20mVpp-5Vpp0.7831.8030.7611.777X《5%信号20Hz-10KHzX《5%结果分析：由于实验室提供的能够模仿音频信号的且能方便测量的信号只有正弦信号，所以我们用一款比较差点的信号发生器产生信号，然后进行测量，发现误差不达，在+-5%以。我们以音频信号进行测量，由于其实际值无法测量，所以我们只能根据时域和频域以及估计其误差，都在5%以。4.2单个频率分量测量（室温条件下）表4-2单个频率分量测量结果（室温条件下）输入信号频率幅度最大功率最大功率次大功率频次大功率频频点功率点100mVpp500Hz1.20mw520Hz0.04mW频点点功率正弦波正弦波500Hz5KHz1Vpp5KHz120mw5.02KHz3.56mw880Hz23mw600Hz4.3mw音频信号20Hz-10KX结果分析：我们首先以理论上单一频率的正弦波为输入信号，在理想状况下，其频谱只在正弦波频率上有值，而由于有干扰，所以在其他频点也有很小的功率。音频信号由于有多个频点，所以没有一定的规律性。由于音频信号波动较大，没有一定的规律，且实验室没有专门配置测量仪器，所以我们只好以正弦波和三角波作为信号进行定量分析测量，以及对音频信号进行定性的分析和测量。我们发现其数字和用电脑模拟的结果符合得很近。6

5结论由于系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，较好地达到了题目要求的各项指标。7

参考文献：[1]ALANV.OPPENHEIM．信号与系统．：交通大学，1997年[2]元秋奇．数字图像处理学．：电子工业，2000年[3]吴运昌．模拟电子线路基础．：华南理工大学，2004年[4]阎石．数字电子技术基础．：高等教育，1997年[5]晓丽等．数据结构与算法．：机械工业，2002年[6]马忠梅等．ARM&Linux嵌入式系统教程．：航空航天大学，2004年[7]建忠．单片机原理及应用．：电子科技大学，2002年8

附录：附1：元器件明细表：1、LPC21482、ATMEGA163、AD6204、ADS78195、液晶320*240附2：仪器设备清单1、低频信号发生器2、数字万用表3、失真度测量仪4、数字示波器5、稳压电源附3：电路图图纸9

电源系统前级放大和AD转换Atmega16控制板附4：程序清单/*/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////FFT转换函数，dataR:实部，datai:虚部，////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////*/10

voidFFT(float*dataR,float*dataI,intn){inti,L,j,k,b,p,xx,qq;intx[11]={0};floatTR,TI,temp;floatQQ;//////////////////////////////////位倒置////////////////////////////////////////////////////for(i=0;i<count[n];i++){xx=0;for(j=0;j<n;j++)x[j]=0;for(j=0;j<n;j++){x[j]=(i/count[j])&0x01;}for(j=0;j<n;j++){xx=xx+x[j]*count[n-j-1];}dataI[xx]=dataR[i];}for(i=0;i<count[n];i++){dataR[i]=dataI[i];dataI[i]=0;}////////////////////////////////////////////////////////////////////////////for(L=1;L<=n;L++)蝶形运算{b=1;i=L-1;while(i>0){b=b*2;i--;}for(j=0;j<=b-1;j++){p=1;i=n-L;while(i>0){p=p*2;i--;}11

p=p*j;for(k=j;k<count[n];k=k+2*b){TR=dataR[k];TI=dataI[k];temp=dataR[k+b];QQ=2*pi*p/count[n];qq=p*count[11-n];dataR[k]=dataR[k]+dataR[k+b]*cos_tab[qq]+dataI[k+b]*sin_tab[qq];dataI[k]=dataI[k]-dataR[k+b]*sin_tab[qq]+dataI[k+b]*cos_tab[qq];dataR[k+b]=TR-dataR[k+b]*cos_tab[qq]-dataI[k+b]*sin_tab[qq];//查表运算dataI[k+b]=TI+temp*sin_tab[qq]-dataI[k+b]*cos_tab[qq];}}}for(i=0;i<count[n];i++){w[i]=sqrt(dataR[i]*dataR[i]+dataI[i]*dataI[i]);w[i]=w[i]/count[n-1];}w[0]=w[0]/2;}///////////////////////////回放数据/////////////////////////voidviewdata(void){unsignedintkey,page,i;page=0;LCD_PenColor=0x1F;//红色LCD_WriteChineseString(font5,2,40,0);LCD_PenColor=0xFC;//蓝色while(1){key=getkey();if(key!=0xFF){if(key==4){SystemState=fft_mode;return;}//返回12

if(key==2){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0);i=page*4+1;p3510(Re[i],0,15);print3510(Im[i]*mode,50,15);p3510(Re[i+1],0,26);print3510(Im[i+1]*mode,50,25);p3510(Re[i+2],0,38);print3510(Im[i+2]*mode,50,35);p3510(Re[i+3],0,50);print3510(Im[i+3]*mode,50,50);if(page>0);delay_nms(8000000);}//上翻页if(key==1){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font3,2,10,0);LCD_WriteChineseString(font4,2,60,0);i=page*4+1;p3510(Re[i],0,15);print3510(Im[i]*mode,50,15);p3510(Re[i+1],0,26);print3510(Im[i+1]*mode,50,25);p3510(Re[i+2],0,38);print3510(Im[i+2]*mode,50,35);p3510(Re[i+3],0,50);print3510(Im[i+3]*mode,50,50);page++;if(page>=SampleNum/4)page=0;delay_nms(8000000);}//下翻页}}}////////////////////////////失真度计算///////////////////////voiddistortion(void){LCD_ClearScreen();LCD_WriteChineseString(font6,3,10,20);unsignedintkey;intfr;while(1){////////////获取频率////////////////////13

log_2_N=11;SampleNum=SampleTab[log_2_N];reset_timer(0);init_timer0(40960);New_Flag=0;enable_timer(0);////////////////////等待采样完成///////////////////////////while(!FFT_Flag);disable_timer(0);//关定时器0//////////////////////FFT运算/////////////////////////////////FFT(Re,Im,log_2_N);////////////////频域功率////////////////////////////////////for(i=1;i<SampleNum/2;i++){Re[i]=Re[i]*Re[i];Re[i]=Re[i]/2;}////////////////////总功率/////////////////////////////////Fp=0;for(i=1;i<SampleNum/2;i++)Fp+=Re[i];sort(&Re[1],&Im[1],SampleNum/2-1);f